EP2947275A1 - Verfahren zur herstellung eines einlaufbelags - Google Patents

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EP2947275A1
EP2947275A1 EP15174420.8A EP15174420A EP2947275A1 EP 2947275 A1 EP2947275 A1 EP 2947275A1 EP 15174420 A EP15174420 A EP 15174420A EP 2947275 A1 EP2947275 A1 EP 2947275A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
inlet lining
component
static
turbomachine
inlet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15174420.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Stiehler
Manuel Hertter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
Priority to EP15174420.8A priority Critical patent/EP2947275A1/de
Publication of EP2947275A1 publication Critical patent/EP2947275A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/127—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with a deformable or crushable structure, e.g. honeycomb
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/307—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the tip of a rotor blade

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an inlet lining on a component of a turbomachine, in particular a gas turbine.
  • the invention further relates to a suitably produced inlet lining and a static or rotating component of a turbomachine with such inlet lining.
  • Run-in linings are used in particular in so-called gap-holding systems in the compressor and turbine components of turbomachines.
  • the inlet coverings have the task to keep a sealing gap of rotating blading to a housing as well as the gap of a standing blading to the rotating rotor hub minimal and thus to guarantee a stable operating behavior of the turbomachine at high efficiency.
  • the rotating components of the turbine have sealing fins, which run in a known manner against the inlet linings or seals.
  • Such a honeycomb seal is characterized by WO 2004/061340 A1 disclosed. It is known to connect inlet linings with the corresponding compressor or turbine components by means of mechanical fastening means, by means of soldering, welding or laser welding.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method for producing a Einlaufbelags on a component of a turbomachine, which ensures a secure connection between the component surface and the inlet lining and also is inexpensive to implement. It is a further object of the present invention to provide a corresponding inlet lining and a component of a turbomachine with such an inlet lining.
  • An inventive method for producing an inlet lining on a component of a turbomachine, in particular a gas turbine is characterized in that the inlet lining is applied to the component of the turbomachine by means of a kinetic cold gas compacting (K3) and produced, wherein the component is a static or rotating component the turbomachine is.
  • K3 kinetic cold gas compacting
  • the inventive use of a kinetic cold gas compacting a secure joint connection between the component of the turbomachine and the inlet lining is created.
  • the high particle velocities used in the kinetic cold gas compacting process result in very dense layers which adhere very well and firmly to the corresponding component surfaces.
  • the powdery starting materials used in the process of the invention for the production of the inlet coverings are commonly used materials for inlet coverings.
  • suitable metal powders or metal powder / ceramic powder mixtures are used.
  • aluminum alloys are used for producing inlet linings for turbomachines.
  • suitable plastics can also be used.
  • inert fillers of easily fissile materials such as graphite, bentonite or hexagonal boron nitride can be added to these base materials.
  • inert fillers of easily fissile materials such as graphite, bentonite or hexagonal boron nitride
  • Other suitable materials or material combinations are conceivable, but these must be deformable for use in the kinetic cold gas compacting.
  • At least one adhesive layer and / or at least one thermal insulation or titanium fire protection layer is applied to a surface of the static or rotating component to be coated with the inlet lining to form a composite inlet lining prior to application of the inlet lining.
  • the adhesive layer and / or thermal insulation or titanium fire protection layer be prepared by a thermal spraying process.
  • a kinetic cold gas compacting method can again be used, whereby advantageously the production of the composite inlet lining can be carried out on a spraying device.
  • the adhesive layer and / or thermal insulation or titanium fire protection layer is first applied by means of a flame, high-speed flame, arc and / or plasma spraying.
  • a structure and / or contour can be formed on and / or in the inlet lining after the application of the inlet lining to the static or rotating component.
  • the structures and / or contours serve to improve the aerodynamics of the inlet lining.
  • the structure and / or contour can be formed by means of an electrochemical removal method, in particular electrochemical removal (ECM) or precise / pulsed electrochemical metal working (PEM / PECM) or a mechanical removal method, in particular drilling or milling.
  • ECM electrochemical removal
  • PEM / PECM precise / pulsed electrochemical metal working
  • a mechanical removal method in particular drilling or milling.
  • the application of the inlet lining to the static or rotating component takes place after a predetermined layer pattern for forming a structure and / or contour on and / or in the inlet lining.
  • a preprogrammed layer pattern can be used by means of a corresponding computer-controlled application and spraying device for forming the inlet lining.
  • the structure may be honeycomb-like.
  • the application and production of the inlet lining by means of the kinetic cold gas compacting method is independent of the surface of the component to which the inlet lining is applied.
  • advantageously surface-independent structures and / or contours can be incorporated in and / or on the inlet lining.
  • the inventive method for producing the inlet lining by means of the kinetic cold gas compacting method is cost-effective and can thus be used in series production without further notice.
  • the invention further relates to an inlet lining for a static or rotating component of a turbomachine, in particular a gas turbine, produced according to a method described above.
  • the inlet lining according to the invention is safe with the component surface connected to the static or rotating component and can be produced inexpensively.
  • the invention relates to a static or rotating component of a turbomachine, in particular a gas turbine, with at least one inlet lining, which is produced according to a method described above.
  • a static or rotating component of a turbomachine in particular a gas turbine
  • at least one inlet lining which is produced according to a method described above.
  • inlet coverings 20, 24 shown are part of a sealing system 10 as part of a low-pressure gas turbine. It can be seen that the sealing system 10 in an annular space 30 between a flow-limiting wall 22 of the low-pressure gas turbine and a Blade row comprising a plurality of blades 12 and arranged on a blade tip 14 outer shroud 16 is arranged.
  • the sealing system 10 comprises two sealing points 34, 36, wherein the second sealing point 36 is arranged in the flow direction 28 behind the first sealing point 34.
  • the sealing points 34, 36 consist in each case of a arranged on the outer shroud 16 inlet liners 20, 24 and each of a respective inlet lining 20, 24 opposite and arranged on the inside of the wall 22 sealing tip 18, 26.
  • the inlet linings 20, 24 arranged in the flow direction 28 one behind the other.
  • the inlet pads 20, 24 have been applied to the corresponding surfaces of the outer shroud 16 by means of a kinetic cold gas Kompaktier Kunststoffs (K3) and produced.
  • K3 kinetic cold gas Kompaktier Kunststoffs
  • the inlet pads 20, 24 on a honeycomb structure which have been incorporated after the order of the inlet pads 20, 24 in this.
  • the structure and / or contour can be formed by means of an electrochemical removal method, in particular electrochemical removal (ECM) or precise / pulsed electrochemical metal working (PEM / PECM) or a mechanical removal method, in particular drilling or milling.
  • ECM electrochemical removal
  • PEM / PECM precise / pulsed electrochemical metal working
  • the application of the inlet lining to the static or rotating component takes place after a predetermined layer pattern for forming the structure and / or contour on and / or in the inlet lining.
  • a preprogrammed layer pattern can be used by means of a corresponding computer-controlled application device for forming the inlet lining.
  • the inlet pads 20, 24 may consist of commonly used materials. For this purpose, a variety of materials is known, the use of which depends on the given application areas. As powdered starting materials for the inlet linings to be produced in particular metallic materials are used. In part, these can also be combined with ceramic materials, which serve in particular as inert fillers for the inlet lining. As metallic materials in particular aluminum alloys are used. However, it is also possible that correspondingly suitable plastics, which in particular must withstand the prevailing operating temperatures in the various regions of the turbomachine, are used.
  • inert fillers of easily fissile materials such as, for example, can be incorporated in the metallic sprayed layers of the inlet lining Graphite, bentonite, hexagonal boron nitride, fibers or polyester components.
  • inert fillers of easily fissile materials such as, for example, can be incorporated in the metallic sprayed layers of the inlet lining Graphite, bentonite, hexagonal boron nitride, fibers or polyester components.
  • FIG. 2 shows a sectional, schematic and partially sectioned view of a sealing system 10 according to a second embodiment.
  • the sealing system 10 is again arranged in the annular space 30 between the flow-limiting wall 22 of a low pressure gas turbine and a blade row comprising a plurality of blades 12 and the outer shroud 16 disposed on the blade tip 14.
  • the sealing system 10 also includes in this embodiment, two sealing points 34, 36, wherein the second sealing point 36 is arranged in the flow direction 28 behind the first sealing point 34. Unlike the in FIG.
  • first embodiment of the sealing system comprises the first sealing point 34 disposed on the outer shroud 16 sealing tip 40, wherein the sealing tip 40 is disposed opposite to a arranged on an inner side of the flow-limiting wall 22 inlet lining 32.
  • the second sealing point 36 has on the outer shroud 16 a sealing tip 42, which is arranged opposite a arranged on the inside of the wall 22 inlet lining 44.
  • the inlet linings shown in the exemplary embodiments are not limited to the low-pressure gas turbine area. Rather, they can also be used in the compressor area for lining the corresponding, opposite the rotor blades of the compressor inner sides of the compressor housing.
  • FIG. 3 shows an applied by the kinetic cold gas- Kompaktierbacter and produced inlet lining 20.
  • the order of the inlet lining 20 was carried out on a rotating component of a turbomachine, namely the outer shroud 16 of the blade 12 a low-pressure gas turbine.
  • a tool 46 for the electrochemical removal in particular a corresponding electrode arrangement, is lowered onto the inlet lining 20 (partial steps a) and b)).
  • the structure and shape of the tool 46 is matched to the structure to be produced in the inlet lining 20.
  • FIG. 3b the production of said structure in the inlet lining 20 is shown schematically. It can be seen that the tool 46 is lowered onto the inlet lining 20 and penetrates into it.
  • the so-called electrochemical sinking is shown here.
  • the electrochemical sinks usually with an electrode, the surface of the workpiece, machined in this case the inlet pad 20, wherein by electrochemical reaction of the workpiece or the inlet lining 20 takes place with the located between the inlet lining 20 and the tool 46 electrolyte removal of material at the inlet lining 20.
  • the width of the working gap between the electrode or the tool 46 and the workpiece or the inlet lining 20 is of essential importance.
  • the distance to sizes in the range of 10 to 50 microns and below can be lowered to produce finer structures and shapes. In order to be able to ensure a sufficiently large exchange of the electrolyte at such small distances, this is usually the tool 46 or the electrode assembly is vibrated.
  • the tool 46 is removed again from the inlet lining 20.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags 20, 24, 32, 44 an einem Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, wobei der Einlaufbelag 20, 24, 32, 44 an dem Bauteil der Strömungsmaschine mittels eines kinetischen Kaltgas-Kompaktierveifahrens (K3) aufgebracht und hergestellt wird und das Bauteil ein statisches oder rotierendes Bauteil 16 der Strömungsmaschine ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Einlaufbelag für ein statisches oder rotierendes Bauteil einer Strömungsmaschine und ein statisches oder rotierendes Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit mindestens einem Einlaufbelag 20, 24, 32, 44.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags an einem Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine. Die Erfindung betrifft weiterhin einen entsprechend hergestellten Einlaufbelag sowie ein statisches oder rotierendes Bauteil einer Strömungsmaschine mit einem derartigen Einlaufbelag.
  • Einlaufbeläge kommen insbesondere bei so genannten Spalterhaltungssystemen in den Verdichter- und Turbinenkomponenten von Strömungsmaschinen zur Anwendung. Dabei haben die Einlaufbeläge die Aufgabe, einen Dichtspalt von rotierender Beschaufelung zu einem Gehäuse als auch die Spalte von einer stehenden Beschaufelung zu den drehenden Rotornaben minimal zu halten und damit ein stabiles Betriebsverhalten der Strömungsmaschine bei hohem Wirkungsgrad zu garantieren. Dabei weisen in üblicher Weise die rotierenden Bauteile der Turbine Dichtfinnen auf, die in bekannter Weise gegen die Einlaufbeläge bzw. Dichtungen einlaufen. Eine derartige wabenförmige Dichtung ist durch die WO 2004/061340 A1 offenbart. Es ist bekannt, Einlaufbeläge mit den entsprechenden Verdichter- oder Turbinenkomponeten mittels mechanischer Befestigungsmittel, mittels Löten, Schweißen oder Laserschweißen zu verbinden. Des Weiteren ist bekannt, die Einlaufbeläge mittels generativer Herstellungsverfahren oder thermischer Spritzverfahren direkt auf die Verdichter- oder Turbinenkomponeten aufzubringen. Nachteilig an den bekannten Befestigungs- oder Aufbringverfahren ist jedoch, dass nicht immer eine genügend hohe Verbindungsfestigkeit zwischen dem Einlaufbelag und der Verdichter- oder Turbinenkomponente erreicht werden kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags an einem Bauteil einer Strömungsmaschine bereitzustellen, welches eine sichere Verbindung zwischen der Bauteiloberfläche und dem Einlaufbelag gewährleistet und zudem kostengünstig zur realisieren ist. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen entsprechenden Einlaufbelag und ein Bauteil einer Strömungsmaschine mit einem derartigen Einlaufbelag bereitzustellen.
  • Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Einlaufbelag mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Einlaufbelags und des erfindungsgemäßen Bauteils anzusehen sind.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags an einem Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag an dem Bauteil der Strömungsmaschine mittels eines kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahrens (K3) aufgebracht und hergestellt wird, wobei das Bauteil ein statisches oder rotierendes Bauteil der Strömungsmaschine ist. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahrens wird eine sichere Fügeverbindung zwischen dem Bauteil der Strömungsmaschine und dem Einlaufbelag geschaffen. Durch die beim kinetischen Kaltgas-Kompaktierfahren verwendeten hohen Partikelgeschwindigkeiten entstehen nämlich sehr dichte Schichten, die sehr gut und fest an den entsprechenden Bauteiloberflächen haften. Zudem wird durch die Verwendung des kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahrens ein oftmals nicht erwünschter zu poröser Materialauftrag vermieden, wie er bei anderen thermischen Spritzverfahren, wie Plasmaspritzen, Flamm- und Hochgeschwindigkeitsflammsplitzen wegen der starken Verwirbelungen mit der Umgebungsluft bei dem Auftrag und der Herstellung von Einlaufbelägen resultieren kann. Bei den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten pulverförmigen Ausgangsmaterialien für die Herstellung der Einlaufbeläge handelt es sich um üblicherweise verwendete Materialien für Einlaufbeläge. Insbesondere werden geeignete Metallpulver oder Metallpulver/Keramikpulver-Mischungen verwendet. Insbesondere kommen zur Herstellung von Einlaufbelägen für Strömungsmaschinen Aluminiumlegierungen zum Einsatz. Des Weiteren können auch geeignete Kunststoffe verwendet werden. Zudem können diesen Basismaterialien inerte Füllstoffe aus leicht spaltbaren Materialien, wie Graphit, Bentonit oder hexagonales Bornitrid zugegeben werden. Auch andere geeignete Materialien oder Materialkombinationen sind denkbar, wobei diese allerdings zum Einsatz in dem kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahren verformbar sein müssen.
  • In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Auftrag des Einlaufbelags mindestens eine Haftschicht und/oder mindestens eine Wärmedämm- beziehungsweise Titanfeuerschutzschicht auf eine mit dem Einlaufbelag zu beschichtenden Oberfläche des statischen oder rotierenden Bauteils zur Ausbildung eines Verbundeinlaufbelags aufgebracht. Dabei kann die Haftschicht und/oder Wärmedämm- beziehungsweise Titanfeuerschutzschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt werden. Insbesondere kann hierbei wiederum ein kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahren verwendet werden, wodurch vorteilhafterweise an einer Spritzvorrichtung die Herstellung des Verbundeinlaufbelags durchgeführt werden kann. Es ist aber auch möglich, dass die Haftschicht und/oder Wärmedämm- beziehungsweise Titanfeuerschutzschicht zunächst mittels eines Flamm-, Hochgeschwindigkeitsflamm-, Lichtbogen- und/oder Plasmaspritzens aufgebracht wird.
  • In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nach dem Auftrag des Einlaufbelags auf das statische oder rotierende Bauteil eine Struktur und/oder Kontur an und/oder in dem Einlaufbelag ausgebildet werden. Die Strukturen und/oder die Konturen dienen dabei zur Verbesserung der Aerodynamik des Einlaufbelages. Dabei können die Struktur und/oder Kontur mittels eines elektrochemischen Abtragverfahrens, insbesondere dem elektrochemischen Abtragen (ECM) oder der präzisen/gepulsten elektrochemischen Metallbearbeitung (PEM/PECM) oder eines mechanischen Abtragverfahrens, insbesondere Bohren oder Fräsen ausgebildet werden. Es ist aber auch möglich, dass der Auftrag des Einlaufbelags auf das statische oder rotierende Bauteil nach einem vorbestimmten Schichtmuster zur Ausbildung einer Struktur und/oder Kontur an und/oder in dem Einlaufbelag erfolgt. So kann zum Beispiel ein vorprogrammiertes Schichtmuster mittels einer entsprechenden rechnergesteuerten Auftrags- und Spritzvorrichtung zur Ausbildung des Einlaufbelags verwendet werden. Es ist aber auch möglich, nicht mit dem Einlaufbelag zu beschichtende Bereiche des statischen oder rotierenden Bauteils vor dem Auftrag des pulverförmigen Materials mittels geeigneter Materialien in bekannter Weise abzudecken. Die Struktur kann dabei honigwabenartig ausgebildet sein. Das Aufbringen und die Herstellung des Einlaufbelags mittels des kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahrens ist unabhängig von der Oberfläche des Bauteils auf die der Einlaufbelag aufgebracht wird. Dadurch können vorteilhafterweise oberflächenunabhängige Strukturen und/oder Konturen in und/oder an den Einlaufbelag eingearbeitet werden.
  • Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Einlaufbelags mittels des kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahrens kostengünstig und kann damit auch in der Serienproduktion ohne Weiteres eingesetzt werden.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Einlaufbelag für ein statisches oder rotierendes Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, hergestellt nach einem im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren. Der erfindungsgemäße Einlaufbelag ist sicher mit der Bauteiloberfläche des statischen oder rotierenden Bauteils verbunden und kann kostengünstige hergestellt werden.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein statisches oder rotierendes Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit mindestens einem Einlaufbelag, der nach einem im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Durch die Verwendung des kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahrens zum Aufbringen und Herstellen des Einlaufbelags ergibt sich eine integrale Bauweise zwischen dem statischen oder rotierenden Bauteil und dem Einlaufbelag. Zudem wird eine sichere Fügeverbindung zwischen dem Einlaufbelag und dem Bauteil hergestellt.
  • Weitere Ausgestaltungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Einlaufbelags und des erfindungsgemäßen Bauteils wurden im Vorhergehenden beschrieben.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigen
    • Figur 1 eine schematische und geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Einlaufbelags innerhalb eines Bereichs einer Strömungsmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • Figur 2 eine schematische und geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Einlaufbelags innerhalb eines Bereichs einer Strömungsmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
    • Figur 3 einen schematisch dargestellten Verfahrensschritt zur Erzeugung einer Struktur in und/oder an dem erfindungsgemäßen Einlaufbelag.
  • Die in Figur 1 dargestellten Einlaufbeläge 20, 24 sind Teil eines Dichtungssystem 10 als Bestandteil einer Niederdruckgasturbine. Man erkennt, dass das Dichtungssystem 10 in einem Ringraum 30 zwischen einer strömungsbegrenzenden Wand 22 der Niederdruckgasturbine und einer Laufschaufelreihe umfassend mehrere Laufschaufeln 12 bzw. einem an einer Laufschaufelspitze 14 angeordneten äußeren Deckband 16 angeordnet ist. Das Dichtungssystem 10 umfasst dabei zwei Dichtstellen 34, 36, wobei die zweite Dichtstelle 36 in Strömungsrichtung 28 hinter der ersten Dichtstelle 34 angeordnet ist. Die Dichtstellen 34, 36 bestehen dabei aus jeweils einem an dem äußeren Deckband 16 angeordneten Einlaufbeläge 20, 24 und aus jeweils einer dem jeweiligen Einlaufbelag 20, 24 gegenüberliegender und an der Innenseite der Wand 22 angeordneter Dichtspitze 18, 26. Zudem sind die Einlaufbeläge 20, 24 in Strömungsrichtung 28 hintereinander angeordnet. Die Einlaufbeläge 20, 24 sind dabei auf die entsprechenden Oberflächen des äußeren Deckbandes 16 mittels eines kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahrens (K3) aufgebracht und hergestellt worden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Einlaufbeläge 20, 24 eine Wabenstruktur auf, die nach dem Auftrag der Einlaufbeläge 20, 24 in diese eingearbeitet worden sind. Die Struktur und/oder Kontur kann dabei mittels eines elektrochemischen Abtragsverfahren, insbesondere dem elektrochemisches Abtragen (ECM) oder der präzisen/gepulsten elektrochemischen Metallbearbeitung (PEM/PECM) oder eines mechanischen Abtragverfahrens, insbesondere Bohren oder Fräsen ausgebildet werden. Es ist aber auch möglich, dass der Auftrag des Einlaufbelags auf das statische oder rotierende Bauteil nach einem vorbestimmten Schichtmuster zur Ausbildung der Struktur und/oder Kontur an und/oder in dem Einlaufbelag erfolgt. So kann zum Beispiel ein vorprogrammiertes Schichtmuster mittels einer entsprechenden rechnergesteuerten Auftragsvorrichtung zur Ausbildung des Einlaufbelags verwendet werden. Es ist aber auch möglich, nicht mit dem Einlaufbelag zu beschichtende Bereiche des statischen oder rotierenden Bauteils der Strömungsmaschine mittels geeigneter Materialien in bekannter Weise abzudecken.
  • Die Einlaufbeläge 20, 24 können aus üblicherweise verwendeten Materialien bestehen. Hierzu ist eine Vielzahl von Materialien bekannt, deren Verwendung sich nach den vorgegebenen Einsatzbereichen richtet. Als pulverförmige Ausgangsmaterialien für die herzustellenden Einlaufbeläge kommen insbesondere metallische Werkstoffe zum Einsatz. Zum Teil können diese auch mit keramischen Werkstoffen kombiniert werden, wobei diese insbesondere als Inertfüllstoffe für den Einlaufbelag dienen. Als metallische Werkstoffe kommen insbesondere Aluminiumlegierungen zum Einsatz. Es ist aber auch möglich, dass entsprechend geeignete Kunststoffe, die insbesondere den vorherrschenden Einsatztemperaturen in den verschiedenen Bereichen der Strömungsmaschine standhalten müssen, verwendet werden. Des Weiteren können in die metallischen Spritzschichten des Einlaufbelags inerte Füllstoffe aus leicht spaltbaren Materialien wie zum Beispiel Grafit, Bentonit, hexagonales Bornitrid, Fasern oder Bestandteile aus Polyester integriert werden. Dadurch lässt sich ein entsprechend einfaches und materialschonendes Einlaufen realisieren.
  • Figur 2 zeigt eine abschnittsweise, schematische und teilweise geschnittene Ansicht eines Dichtungssystems 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Man erkennt, dass das Dichtungssystem 10 wiederum in dem Ringraum 30 zwischen der strömungsbegrenzenden Wand 22 einer Niederdruckgasturbine und einer Laufschaufelreihe umfassend mehrere Laufschaufeln 12 bzw. dem an der Laufschaufelspitze 14 angeordneten äußeren Deckband 16 angeordnet ist. Das Dichtungssystem 10 umfasst auch bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Dichtstellen 34, 36, wobei die zweite Dichtstelle 36 in Strömungsrichtung 28 hinter der ersten Dichtstelle 34 angeordnet ist. Im Gegensatz zu dem in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsform des Dichtungssystems umfasst die erste Dichtstelle 34 eine an dem äußeren Deckband 16 angeordnete Dichtspitze 40, wobei die Dichtspitze 40 einem an einer Innenseite der strömungsbegrenzenden Wand 22 angeordneten Einlaufbelag 32 gegenüberliegend angeordnet ist. Die zweite Dichtstelle 36 weist an dem äußeren Deckband 16 eine Dichtspitze 42 auf, die einem an der Innenseite der Wand 22 angeordneten Einlaufbelag 44 gegenüberliegend angeordnet ist.
  • Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Einlaufbeläge sind nicht auf den Niederdruckgasturbinenbereich beschränkt. Vielmehr können sie auch im Verdichterbereich zur Auskleidung der entsprechenden, den Laufschaufeln des Verdichters gegenüberliegenden Innenseiten des Verdichtergehäuses zum Einsatz kommen.
  • Figur 3 zeigt einen durch das kinetische Kaltgas-Kompaktierverfahren aufgetragenen und hergestellten Einlaufbelag 20. Der Auftrag des Einlaufbelags 20 erfolgte dabei auf ein rotierendes Bauteil einer Strömungsmaschine, nämlich dem äußeren Deckband 16 der Laufschaufel 12 einer Niederdruckgasturbine. Man erkennt, dass ein Werkzeug 46 für den elektrochemischen Abtrag, insbesondere eine entsprechende Elektrodenanordnung auf den Einlaufbelag 20 abgesenkt wird (Teilschritte a) und b)). Die Struktur und Formgebung des Werkzeugs 46 ist auf die in dem Einlaufbelag 20 herzustellende Struktur abgestimmt. In Figur 3b ist die Erzeugung der genannten Struktur in dem Einlaufbelag 20 schematisch dargestellt. Man erkennt, dass das Werkzeug 46 auf den Einlaufbelag 20 abgesenkt wird und in diesen eindringt. Es ist hier beispielhaft das so genannte elektrochemische Senken dargestellt. Dabei wird beim elektrochemischen Senken in der Regel mit einer Elektrode die Oberfläche des Werkstücks, in diesem Fall des Einlaufbelags 20 bearbeitet, wobei durch elektrochemische Reaktion des Werkstücks beziehungsweise des Einlaufbelags 20 mit dem sich zwischen dem Einlaufbelag 20 und dem Werkzeug 46 befindlichen Elektrolyt ein Abtragen von Material am Einlaufbelag 20 erfolgt. Bei diesen so genannten ECM-, PEM- oder PECM-Verfahren ist die Breite des Arbeitsspalts zwischen der Elektrode beziehungsweise dem Werkzeug 46 und dem Werkstück beziehungsweise dem Einlaufbelag 20 von wesentlicher Bedeutung. Dabei kann zum Erzeugen feinerer Strukturen und Formen der Abstand auf Größen im Bereich von 10 bis 50 µm und darunter abgesenkt werden. Um einen entsprechend genügend großen Austausch des Elektrolyten bei derart geringen Abständen gewährleisten zu können, wird hierbei üblicherweise das Werkzeug 46 beziehungsweise die Elektrodenanordnung in Vibration versetzt.
  • Nach einer entsprechenden Strukturierung und/oder Konturierung des Einlaufbelags 20 wird das Werkzeug 46 wieder von dem Einlaufbelag 20 entfernt.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags (20, 24, 32, 44) an einem Bauteil einer Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass
    der Einlaufbelag (20, 24, 32, 44) an dem Bauteil der Strömungsmaschine mittels eines kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahrens (K3) aufgebracht und hergestellt wird,
    - wobei das Bauteil ein statisches oder rotierendes Bauteil (16) der Strömungsmaschine ist
    und
    - durch den Auftrag des Einlaufbelags (20, 24, 32, 44) auf das statische oder rotierende Bauteil (16) oder nach dem Auftrag des Einlaufbelages eine Struktur und/oder Kontur an und/oder in dem Einlaufbelag (20, 24, 32, 44) ausgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur und/oder Kontur hergestellt wird mittels
    - eines elektrochemischen Abtragverfahrens,
    oder
    - eines mechanischen Abtragverfahrens,
    oder
    - dass der Auftrag des Einlaufbelags auf das statische oder rotierende Bauteil nach einem vorbestimmten Schichtmuster zur Ausbildung der Struktur und/oder Kontur an und/oder in dem Einlaufbelag erfolgt,
    oder
    - dass nicht mit dem Einlaufbelag zu beschichtende Bereiche des statischen oder rotierenden Bauteils der Strömungsmaschine mittels geeigneter Materialien in bekannter Weise abgedeckt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    das elektrochemische Abtragverfahren ein elektrochemisches Abtragen (ECM) oder die präzise/gepulste elektrochemischen Metallbearbeitung (PEM/PECM) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Abtragverfahrens als Bohren oder Fräsen ausgebildet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftrag des Einlaufbelags auf das statische oder rotierende Bauteil nach dem vorbestimmten Schichtmuster zur Ausbildung der Struktur und/oder Kontur an und/oder in dem Einlaufbelag über ein vorprogrammiertes Schichtmuster mittels einer entsprechenden rechnergesteuerten Auftragsvorrichtung zur Ausbildung des Einlaufbelags erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auftrag des Einlaufbelags (20, 24, 32, 44) mindestens eine Haftschicht und/oder mindestens eine Wärmedämm- bzw. Titanfeuerschutzschicht auf eine mit dem Einlaufbelag (20, 24, 32, 44) zu beschichtenden Oberfläche des statischen oder rotierenden Bauteils (16) zur Ausbildung eines Verbundeinlaufbelags aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht und/oder Wärmedämm- bzw. Titanfeuerschutzschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens hergestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht und/oder Wärmedämm- bzw. Titanfeuerschutzschicht mittels eines kinetischen Kaltgas-Kompaktierverfahrens (K3) hergestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auftrag des Einlaufbelags (20, 24, 32, 44) auf das statische oder rotierende Bauteil (16) eine Struktur und/oder Kontur an und/oder in dem Einlaufbelag (20, 24, 32, 44) ausgebildet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur und/oder Kontur mittels eines elektrochemischen Abtragsverfahren, insbesondere dem elektrochemischen Abtragen (ECM) oder der präzisen/gepulsten elektrochemischen Metallbearbeitung (PEM/PECM) oder eines mechanischen Abtragverfahrens, insbesondere Bohren oder Fräsen ausgebildet wird.
  11. Einlaufbelag für ein statisches oder rotierendes Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
  12. Statisches oder rotierendes Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit mindestens einem Einlaufbelag (20, 24, 32, 44) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
  13. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Laufschaufelspitze, ein äußeres Deckband (16) einer Laufschaufel (12) oder Laufschaufelreihe oder das Gehäuse einer Verdichter- oder Turbinenkomponente ist.
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